蒸 发 工 艺
一、目的：
1．掌握真空蒸发制备铝薄膜的方法； 2．用干涉法测量铝膜厚度。 二、原理
对于硅平面晶体管，经过基区和发射区扩散后，就构成了晶体管的管芯。但是，要成为整机上的晶体管，还必须在管芯的基区和发射区上制备欧姆接触电极。器件生产中常用真空镀膜方法来制备管芯的欧姆接触电极。
真空镀膜就是在真空容器中把蒸发源材料加热到相当高的温度，使其原子或分子获得足够的能量，脱离材料表面的束缚而蒸发到真空中成为蒸气原子或分子，它以直线运动穿过空间，当遇到待淀积的基片（如硅片）时，就沉积在基片表面，形成一层薄的金属膜。为什么要在真空中进行蒸发呢?由于在普通的大气中，存在着许多气体分子，高温蒸发出来的金属原子或分子将不断地与这些气体发生散射碰撞，这样一是改变了金属原子或分子的运动方向，使其不能顺利到达基片表面；二是空气中的氧极易使这些蒸汽原子氧化；三是系统中气体也将跟基片表面不断发生碰撞和金属原子一起沉积下来，形成疏松的金属膜，并使炽热的金属膜氧化，影响镀膜质量，因此在蒸发过程中要保持足够低的残余气体的压强，使这些蒸汽原子在该系统中运动的平均自由程大于源至基片的距离，并减少残余气体与基片的碰撞机会。
根据气体分子运动论，气体分子运动的平均自由程λ与系统中气体压强P有如下关系：
λ＝KT2πdP
2
（4－1）
式中：K－－玻尔兹曼常数；d－－气体分子的直径；T－－绝对温度；P－
－系统中的气体压强。
，由（4－1）式计算出（0℃，空气）：通常蒸发条件为P＝10-5 mmHg（托）
λ＝500厘米，它远大于实际给出的源到基片之间的距离。设初始时由蒸发源射
出的分子有n0个，其中一部分n1／n0在小于给定路程长度内发生碰撞，则遭到
碰撞的分子数占总分子数的百分数为：
－ n1
＝ 1 － eλ n0
r
（4－2）
由（4－2）式可计算出途中发生碰撞的分子数（％）与实际路程对平均自
由程之比曲线，如图4－1所示。当平均自由程等于蒸发源到基片距离时，有63％的分子发生碰撞；当平均自由程10倍于蒸发源到基片距离时，只有9％的分子发生碰撞。由此可见，平均自由程必须比蒸发源到基片的距离大得多，才能避免在迁移过程中发生碰撞现象。
图4－1 分子在迁移途中发生碰撞的百分比 与实际路程对平均自由程之比的关系曲线
蒸发还依赖于加热温度。一般说来当温度达到一定值，使蒸发源物质的蒸汽压达到10－2托时即可进行有效的蒸发淀积。不同物质有不同的蒸发温度。铝的蒸发温度为1148℃。
在硅器件生产中，铝是用得最多的蒸发源材料，它具有以下特点： （1）低电阻率；
（2）容易与P型、n型硅形成低欧姆接触；
（3）与硅和二氧化硅粘附性好，且不发生有害反应； （4）易于光刻；
（5）便于热压、超声键台。 三、实验系统及所有器具
（1）真空蒸发镀膜机。真空蒸发镀膜机主要由三部分组成：真空镀膜室，
抽气系统，测量仪器，图4－2给出了真空蒸发镀膜系统示意图。 （2）热电偶及功率表。用来测量衬底加热器的温度。 （3）干涉显敞镜。用来测量蒸发的铝薄膜厚度。
1. 机械泵；2. 机械泵阀门； 3. 扩散泵加热器电炉； 4. 扩散泵；5. 扩散泵冷却水； 6.扩散泵阀门；7. 衬底加热器； 8. 热电偶；9. 活动挡板； 10. 蒸发源加热器；11. 钟罩； 12. 热偶管和电离规管； 13. 系统放气阀门； 14. 旁路阀门： 15. 机械泵放气阀门； 16. 硅片
图4－2 真空蒸发镀膜设备示意图
四、蒸发工艺步骤
（一）蒸铝前的准备工作
主要是硅片、铝丝、蒸发源加热器和衬底加热器的清洁处理。 （1）硅片的处理：同氧化工艺。
（2）铝的清洁处理：把铝丝或铝条剪短，折成“V”形，用浓磷酸加热煮1—2
分种后，用去离子水冲洗干净，浸在无水乙醇中备用。
（3）蒸发源加热器的清洁处理：把绕制好的钨丝加热器，用10～20％的氢氧化
钠溶液煮，除去表面的氧化层，达到表面干净光亮，再用冷、热去离子水冲洗直至中性为止，经烘干后放在干燥塔中备用。在使用加热器进行蒸铝前，要进行高温高真空处理。
（4）衬底加热器的清洁处理：与其它石英器具的处理相同。
（二）蒸铝操作程序
（1）将铝挂在加热器钨丝上，一般要获得1－2微米厚的铝层，蒸发源到硅片
间距为7厘米时，铝用量为500－700毫克，把硅片放在衬底加热器的石英板上，并用活动挡板挡好。
（2）盖上钟罩进行抽气，先开动机械泵，当真空度达10－2托以后，接通扩散泵
电源，使其工作（开启扩散泵时必须先通冷却水）。 （3）测量真空度达5X10－5托以上时，使衬底加热器升温至300－500℃范围．恒
温2分钟，这步的目的是清洁处理硅片，且使硅片表面除气，以使铝原子与硅表面紧密结合。
（4）接通蒸发源加热器电源，逐渐增加加热器电压，铝条由固态变为液态，当
铝全部熔成圆滴后，迅速加大电压（100V左右），移开挡板，汽态铝便蒸发淀积到硅片表面上。蒸发时间约为40－60秒。随后移回挡板遮住硅片，再次高真空高温处理，以便下次再用。
（5）铝固化。把衬底温度提高到450℃，恒温2分钟，目的是使铝层致密牢固。 （6）衬底温度降至100℃以下，将扩散泵电源断电，当扩散泵冷却后，可停止
机械泵工作（注意一定要使机械泵进气口通大气）。 （7）将真空室内通大气，打开钟罩，取出硅片，检查质量。
质量较好的铝膜，表面光亮如镜，呈银白色，若铝膜表面不光亮，呈白雾状，则说明铝膜被氧化。其原因主要有：①系统真空度低；②钨丝加热器处理不干净；③铝条上的氧化物没有挥发掉而蒸发过早；④硅片清洁处理不好等。若铝膜表面局部区域出现污点，很可能是由于过早打开挡板所造成的。
五、用干涉法测量铝膜厚度
用干涉显微镜测量蒸发金属层的厚度。
（4－3）式给出了铝膜厚度的计算公式。图4－3给出了干涉条纹图象。
λb
（4－3） d＝
2a
式中λ为光的波长。
图4－3干涉条纹
六、思考题
1．蒸发为什么要在真空中进行?
2．铝膜的质量主要由哪些因素决定？
注意事项： 1，使用机械泵时应尽量减少直接抽大气，直接抽大气会带入大量的灰尘和脏物，使机械泵油污染，影响真空度；在停止机械泵工作时必须将进气口通入大气，
使得进气口和出气口的气压达到平衡，否则机械泵油会倒入系统，造成事故。
－
2．使用扩散泵时应注意：a．前级机械泵必须保持102托以上预备真空时才可使扩散泵工作；b．扩散泵通电加热时必须先通冷却水，直至扩散泵停止加热且冷却到室温后方可停止。若突然停水，需马上用事先准备好的水人工冷却扩散泵。c．机械泵需在扩散泵停止工作且冷却后方可停机。
3．当真空度低于10－3托时，不能使用电离真空规测量，否则灯丝氧化，使其寿命缩短，甚致马上烧毁。
